利用资源丰富、可再生的糖类化合物为原料制备生物质基化学品有利于缓解当前严重的能源危机和环境污染问题。5-羟甲基糠醛(5-HMF)是一种结构式中含有活泼醛基、羟基和呋喃环的生物质基平台化合物,通过进一步反应可以衍生出众多的下游产品,是连接生物质化学和石油化学的关键中间体。目前,高效催化反应体系的构建是提高5-HMF产率和工业应用的重要任务。其中,催化剂和溶剂体系的设计是影响碳水化合物转化制备5-HMF的两个最主要因素。近年来,由于多孔固体催化剂具有密度较低、比表面积大、通透性高、对设备腐蚀性小、易与产品分离、工业废水少等优点,而受到广泛关注。针对影响糖类化合物转化制备5-HMF的关键因素,本论文制备了一系列多孔固体催化剂,并以多孔固体催化剂的制备方法和性能优化为关键控制点,通过对孔结构的有效控制、活性位点的增加和活性位点种类的调控,实现5-HMF产率的提高。通过系统的测试手段分析了所制备催化剂的形貌、结构、元素组成、酸碱度、热稳定性及表面特征等。研究了多孔固体催化剂在不同溶剂体系中转化糖类化合物制备5-HMF的性能及影响因素,并对研究结果进行了相应的总结。本论文主要研究工作如下:1. SBA-15介孔分子筛负载固体催化剂催化转化糖类化合物制备5-HMF的研究(1)采用层层嫁接技术和浸渍法,成功将硫化锆(SZ)和氧化铈(Ce02)固体催化剂负载到SBA-15介孔分子筛上。SZ@SBA-15催化剂具有Br(?)nsted酸、Lewis酸强度以及较弱的碱强度,其中2SZ@SBA-15催化剂具有最佳的酸度值和Br(?)nsted/Lewis比值。引入的Ce02纳米颗粒可有效提高复合催化剂的碱度值,其中引入的铈元素占载体质量分数5%所得到的5 wt% Ce02-2SZ@SBA-15催化剂具有最佳的酸碱度。通过在iPrOH/DMSO混合溶剂体系中催化葡萄糖制备5-HMF来考察催化剂的性能。结果表明,碱性位点和Lewis酸性位点协同促进葡萄糖异构化为果糖,Brr(?)nsted酸位点催化反应生成的果糖脱水生成5-HMF。当iPrOH/DMSO混合溶剂体积比为9:1时,最高可得到66.5%的5-HMF产率和70.8%的选择性,iPrOH取代反应体系中大部分DMSO,减少了其对环境的危害。(2)具有合适孔径的磁性SBA-15作为载体负载纤维素酶,制备了生物酶催化剂;将SZ和Ce02固体催化剂负载到SBA-15介孔分子筛上,制备了具有可调谐Br(?)nsted酸性、Lewis酸性以及碱性位点的化学催化剂。将所制备的生物酶催化剂用于水溶液中转化纤维素制备葡萄糖,化学催化剂用于iPrOH/H20混合溶剂体系中转化葡萄糖制备5-HMF,并通过串联生物酶催化和化学催化实现了纤维素到5-HMF的转化。通过分步优化两个反应体系,串联纤维素到葡萄糖和葡萄糖到5-HMF的两步反应,最高可得到45.6%的5-HMF产率。2.多孔酸碱双功能固体催化剂一步催化转化糖类化合物制备5-HMF的研究(1)通过对2SZ@SBA-15进一步修饰酸性-S03H、碱性-NH2、同时接枝-S03H和-NH2官能团,分别制备了 2SZ@SBA-15-S03H、2SZ@SBA-15-NH2和 2SZ@SBA-15-S03H-NH2固体催化剂。SBA-15负载型固体催化剂性能通过在离子液体中一步转化纤维素制备5-HMF的反应进行探讨,该转化过程涉及到一系列连续反应,包括纤维素降解为葡萄糖,葡萄糖异构化为果糖,以及果糖脱去三分子H2O生成5-HMF。为深入研究催化剂在每一反应步骤中所起的作用,选取纤维素、葡萄糖和果糖为反应底物,系统讨论了具有不同Br(?)nsted酸、Lewis酸以及碱强度固体催化剂的性能。结果表明,集成反应过程所需的酸性位点和碱性位点于同一固体催化剂,可协同催化纤维素一步法制备5-HMF。在最佳反应条件下,可得到42.2%的5-HMF产率和54.0%的5-HMF选择性。(2)耦合高内相乳液模板法、离子交换技术和表面接枝技术,成功制备了大孔酸碱双功能固体催化剂一步催化纤维素制备5-HMF。表征结果表明所制备的催化剂拥有大孔尺寸平均为12.5 μm,连接孔尺寸为2.8 μm,与水的接触角为150°,酸度值为3.034 mmol g-1,碱度值为1.379 mmol g’1。通过简单的调节乳液模板参数,如内相比和表面活性剂用量,以及调节酸碱单体用量比和接枝的十二烷基硫醇用量,可实现催化剂孔结构、酸碱度和表面润湿性的可控调节。纤维素转化制备5-HMF的催化实验表明,所制备的催化剂可有效的提高催化反应速率,增加5-HMF产率和阻止副反应发生。在最佳反应条件下,可得到49.5%的5-HMF产率和55.9%的选择性。并且催化剂循环再生5次后,性能损失较少。3. Pickering HIPEs模板构建多孔固体催化剂催化转化糖类化合物制备5-HMF的研究(1)采用疏水性二氧化硅纳米颗粒和司班80共同稳定了内相比为84.8%的水包油型Pickering HIPEs。以Pickering HIPEs为模板,引发聚合二乙烯基苯和对苯乙烯磺酸钠,并通过后续磺化处理得到了一系列大孔聚合物固体酸PDVB-SS-X-S03H, X代表司班80的体积。所制备的大孔固体酸具有开孔、连接孔结构,以及强酸性质,并用作催化剂在离子液体中转化纤维素制备5-HMF。在最佳反应条件下,所制备的PDVB-SS-O-SO3H,PDVB-SS-0.2-SO3H和PDVB-SS-0.6-SO3H催化剂分别得到最高的5-HMF产率为 12.9%、29.6%和15.5%,结果表明催化剂孔尺寸大小和强酸位点在纤维素转化中起关键作用。和其它工作相比较,所得到的5-HMF产率不高,主要是因为所制备的固体催化剂只含有单一的Br(?)nsted酸活性位点,难以保证反应过程中所有步骤的正常进行。(2)采用PickeringHIPEs模板法制备了大孔有机-无机杂化聚合物MIPs,并进一步用于制备催化剂催化转化纤维素。通过对MIPs进行不完全碳化和磺化处理,得到了大孔碳基固体催化剂。该固体催化剂不但具有多级孔结构,同时含有Br(?)nsted和Lewis酸活性位点,在离子液体中转化纤维素制备5-HMF反应中表现出很高的催化反应活性。和传统的HIPEs模板法制备固体催化剂相比,采用Pickering HIPEs模板法避免了大量表面活性剂和有机相的使用。建立了一种制备具有多级孔结构和多功能活性位点碳基固体催化剂的新方法。